瞬态碰撞实验装置缓冲性能仿真

2015-07-01华儒，徐杰，陈宇

兵器装备工程学报 2015年4期

华儒，徐杰，陈宇

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

在这个日新月异的时代，科技与生产逐渐发展，人们在各种领域运用到冲击。因此，对冲击的要求也日益严格。近年来，科学研究与生产涉及更多的高速运动，运动末端产生的强大冲击力成为一种有待解决的难题［1-3］。人们需要具备优良缓冲性能的装置，缓冲装置的研究改进得到了人们的重视，也正在逐步的发展。由于认识的欠缺及生产实际发展的客观因素，缓冲装置的研究不够成熟，应用也不广泛。所以设计具有优良缓冲性能的缓冲装置走近我们的眼前。

通过运算得到液压缓冲器各部件的具体参数。然后用CATIA 软件构建各个部件的三维模型，进行装配，得到完整的缓冲器的三维模型。对活塞杆直径、螺钉强度、柱塞稳定性等进行校核，使其满足缓冲器工作的需求。通过Simulink建模，对缓冲器的运作过程进行仿真，得到液压缓冲器工作性能曲线。再用Abaqus 有限元分析软件对缸体进行强度分析，修改优化后得到最终的方案。

经设计计算液压缓冲器具体参数如表1 所示。

表1 液压缓冲器具体参数

1 Simulink 建模

分析缓冲器工作过程，活塞与缓冲块发生碰撞，质量块与活塞杆分离，对活塞和活塞杆受力分析:

活塞和活塞杆

缓冲块

缸筒受到的合力F

式中:P 为气缸内部压力;PC为大气压力;A0为活塞横截面积;μ 为摩擦系数(μ =0.1);m1为活塞和活塞杆质量;m2为质量块质量;k1为弹簧刚度;x 为活塞杆位移;m3为缓冲块质量;F1为活塞与缓冲块之间的碰撞压力。

Simulink 中含有各种模块版本，选择所需的模块，用横线将各个模块依次连接，设置好参数，建立Simulink 建模图，如图1 所示。

图1 Simulink 建模

1)force、vel1、dis1、vel2、dis2 5 个scope 模块分别显示液压阻力、活塞杆的运动速度、活塞杆的运动位移、质量块的运动速度、质量块的运动位移。

2)heli 子模块建立了作用在活塞上力的相互关系，在此模块中将由于碰撞得到的挤压力、摩擦阻力、液压阻力以及缓冲弹簧力有效地表示为作用于活塞上的一个合力。

3)jiyali 子模块表示机械碰撞模型。质量块与活塞杆发生碰撞时，质量块与缓冲活塞杆的作用端头发生挤压，取弹簧刚度为80 ×106N/m，阻尼系数为10 ×103N/(m/s)。缓冲活塞杆在挤压力的作用下开始加速，质量块加速。

4)物体在运动过程中，在接触面处难免会有摩擦力存在，使得运动结果与理想情况存在一定的差异。在运动过程中，活塞与气缸内壁，质量块与台面存在着接触摩擦，摩擦系数取为0.1。

5)k 代表缓冲活塞复位弹簧的刚度。取k=5 900 N/m。

6)取质量块与活塞开始碰撞为仿真的开始时刻，仿真总时设为0. 05，采用自动变步长，ode45(dormend-prince)算法。

设置好参数后，在计算机上开始仿真，得出仿真结果如图2 ～图5 所示。

图2 活塞及活塞杆的速度曲线

图3 活塞及活塞杆的位移曲线

由图2 活塞及活塞杆的速度曲线可以看出，活塞和活塞杆在缓冲过程中速度并不是单纯的有高到低慢慢减速，而是在与质量块的一次次碰撞中速度逐渐降低，图2 中的一个个波峰就是活塞杆与质量块的碰撞时刻。由图3 活塞及活塞杆的位移曲线可以看出整个缓冲过程中活塞及活塞杆的位移变化幅度慢慢减小，缓冲的过程也趋于平缓。

图4 质量块的速度曲线

图5 质量块的位移曲线

由图4 质量块的速度曲线可以分析出质量块在缓冲过程中科近似认为是在不断地减速、匀速交替的运动，减速的过程也就是质量块与活塞杆发生碰撞的过程，这个过程中质量块由于活塞杆上液压阻力、弹簧阻力等作用速度急剧减小，而活塞杆由于质量块的碰撞速度增大，碰撞结束后质量块与活塞杆分离，质量块近似于匀速继续运动，而活塞杆由于阻力作用做减速运动，当活塞杆速度减小到一定程度时质量块会与活塞杆继续碰撞，重复上述过程直至停止。由图5质量块的位移曲线不难看出，由于碰撞减速的过程进行的时间非常短，质量块的位移近似的由一段段速度递减的匀速运动组成。

2 有限元分析

分析液压阻力的变化曲线，可看出在整个缓冲过程中存在一个液压阻力最大值，而且在每一次运动过程中缓冲块液压阻力都存在一个极大的峰值。液压阻力作用在流液孔的横截面上，要用相关软件进行最大液压阻力下的缸体强度分析本研究中涉及的是Abaqus 软件，Abaqus 被认为是目前功能最强的有限元软件，主要应用于各类简单或复杂的非线性问题，可以分析复杂的固体力学结构力学系统［4-5］。Abaqus包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，Abaqus 除了能解决大量结构(应力/ 位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析由于Abaqus 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得Abaqus 被各国的工业和研究中所广泛采用。Abaqus 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用学分析、岩土力学分析(流体渗透/ 应力耦合分析)及压电介质分析［6-7］。先将要进行强度分析的缸体模型生成一个Abaqus 输入文件，用Abaqus 求解模型所定义的数值问题。模拟计算得到位移、应力或其他基本变量，就可以对计算结果进行分析评估。

由液压阻力变化曲线得出，缓冲过程中有一个极大值，活塞此时移动到最大行程，对端盖有一最大压力。因此要对整个缸体进行强度分析。取液压阻力最大值为80 kN，复位弹簧力为0.1 kN。分别得到应力云图和位移云图。

首先建立网格模型，把缸体的三维模型导入Hypermesh软件中进行网格的划分，首先在子模块automesh 中进行2D界面明面网格划分。其中缸体的壁厚是8 mm，故将单元尺寸定位3 mm，画出二维网格，修正网格后得到实体网格。检查网格质量后建立材料模型和属性，材料为45#钢，屈服极限为355 MPa，密度为7.83 ×10-9ton/mm3，弹性模量为2.1 ×105MPa，泊松比为0.3。将材料属性赋予所有的实体单元。导出INP 格式的模型文件，并将文件导入到Abaqus 软件进行计算分析。有限元前处理完成以后，将模型导入到Abaqus软件中。在Abaqus 软件首先创建分析步，在load 模块中添加作用在各个作用面上的压力，并在缸筒支座的连接底面建立约束条件。

接着再进入Abaqus 的Job 模式进行静载荷分析计算，分别得到其应力云图和位移云图，如图6、图7 所示。